虚函数表 vtable 与对象内存布局

一、对象模型：vptr + vtable

单个含虚函数的类

                        Dog 对象内存
                     ┌───────────────┐
   Dog dog;          │ vptr ─────────┼──► Dog::vtable
                     │ ...数据成员    │    ┌────────────────────┐
                     └───────────────┘    │ RTTI(倾斜到typeinfo)│
                                          │ Dog::speak()        │
                                          │ Animal::eat()       │
                                          │ ...                 │
                                          └────────────────────┘

• vptr 放在对象最前面（libstdc++/MSVC 单继承均如此），一个字大小（8 字节 64 位）。
• vtable 是只读的、进程内该类仅一份；不同类不同表，继承通过表内容表达。

多继承下的对象

多继承时对象内部有多个基类子对象，通常有多个 vptr（每支基类一个），指向不同 vtable。

          class X : public A, public B { 覆写 A::f, B::g };
   ┌──────────────────────────┐
   │ A 部分: [vptr→表A][A字段] │  ← A 的 vtable
   │ B 部分: [vptr→表B][B字段] │  ← B 的 vtable（this 指针需偏移）
   │ X 自己的字段             │
   └──────────────────────────┘

（这是「为什么把 A 转成 B* 时指针地址会变化/偏移」的根源。）*

二、对象大小

类	大小(64位)	说明
空类 class A{};	1	需占位使不同对象地址不同
空类但含虚函数	8（1 个 vptr）	vptr 占 8 字节；实际可能因对齐仍是 8
int x; 无虚	4	—
int x; 含虚函数	16	4(data)+8(vptr)+对齐到 8 边界 → 16
多继承各有虚	通常 = 基类子对象之和	vptr×基类数 + 各自数据 + 对齐

关键点

• 空类 size=1：为了 A a1,a2; &a1 != &a2，需要最小非零存储。
• 空类加虚函数后 size 跳到 8（对齐整 8），不是 1+vptr 简单相加，而是按成员对齐规则取对齐后的整数。
• 值纯虚函数/抽象类不额外占位（只影响能否实例化）。
• 同一翻译单元不包含 vtable 需注意 weak（见链接性），但这是实现细节，一般没必要展开。

三、vtable 存在哪里？

• 逻辑上 vtable 属于「只读数据段（.rodata）」，是静态、进程内共享的数据。
• 注意与「类数据成员」区分：每个对象自己的 vptr 在对象内；vtable 本身是全局唯一的。
• （实现细节：libstdc++ 大 ODR、'key function' 决定 vtable 放哪个翻译单元——vague linkage/weak symbol。可答「实现相关，标准不规定」，提供者通常答 .rodata。）

四、高频问答

Q1. 派生类对象里 vptr 指向何处？构造过程如何变 vptr？

对象构造时 vptr 逐步更新：

1. 进入基类构造 → vptr 指向基类 vtable；
2. 基类构造完成，进入派生类构造 → vptr 再指向派生类 vtable。 这就是构造期间不能触发多态的原因（vptr 尚未指向最终类）。

Q2. 继承覆盖、隐藏虚函数有什么坑？

• 只要签名完全一致且基类虚，就覆写；否则名字隐藏（派生类同名不同参会把基类同名虚整体隐藏）。
• 覆写时建议加 override，让编译器捕捉「本以为是覆写其实签名不符」的 bug。

Q3. 纯虚函数 / 抽象类？

• virtual void f() = 0; 纯虚函数 → 类为抽象类，不可实例化；
• 派生类必须实现所有纯虚函数才能实例化；
• 可作「接口 / 公共契约」，也常见「纯虚析构」需给实现 ~Base()=0; 的 {}（否则派生析构链找不到实现）。

Q4. vptr 放开头有什么优缺点？

• 放开头：A* 与派生类对象开头一致，单继承下 this 指针无须偏移，类型转换高效。此即 C++ ABI 通用选择。
• 多重继承因要多个 vptr、不同子对象偏移，才会出现地址偏移与 thunk（跳转适配）技术——一句「需要 second base 的 this 调整，编译器生成调整 thunk」即可。

五、对象布局类问题套路

1. 先数出：几个 vptr（几条含虚的基类链 / 继承支数）+ 各数据成员 + 是否数组特化。
2. 再按对齐规则（最大成员对齐单位）计算总和并向上取整。
3. 空类特殊（1 字节）；**空基类优化（EBO）**让 struct Empty{}; struct X:Empty{int n;}; 大小=4 而非 5（编译器把空基类占位与成员合并）——std::tuple/unique_ptr 删除器常利用 EBO 省内存。